單晶金剛石的研磨和拋光技術(shù)

　　(1)機械研磨

　　機械研磨是早傳統的金剛石加工方法,該法將混有金剛石微粉的研磨膏涂于研 磨盤(pán)上,利用金剛石粉末來(lái)加工金剛石。在加工過(guò)程中,磨料與金剛石試件表面之間產(chǎn)生劃擦和沖擊作用,使得金剛石試件表層的高點(diǎn)發(fā)生微破碎,從而達到平坦化的目的。機械研磨不需要特殊的加工環(huán)境,而且機械研磨法效率較高,是目前工業(yè)應用的主要加 工方法。但是該方法加工的試件表面粗糙度偏大,損傷層較厚;同時(shí)研磨盤(pán)端面跳動(dòng)、機床振動(dòng)都會(huì )一定程度地影響金剛石的加工質(zhì)量。若要獲得較高的加工質(zhì)量,對加工設備和操作的人要求較高,成本也將大幅提高。國外以英國、日本和荷蘭研究居多,早在 1983英國的Jeynes就對機械研磨的機理進(jìn)行研究,1994年荷蘭的Couto研究了金剛 石機械研磨中在“軟方向”上的去除機理。由此可以看到國外機械研磨研究較國內至少早15年左右,并且研究的較為細致深入。機械研磨方法的研究國內以哈爾濱工業(yè)大 學(xué)為表示,1998年孫濤發(fā)表了單晶金剛石刀具機械刃磨和刃口檢測的介紹性文章。 2007年哈工大的宗文俊等人對比了機械研磨與熱化學(xué)拋光認為機械研磨可獲得Ra 0.8nm表面,而熱化學(xué)拋光只能獲得2.0 nm表面,并加工出10 nm以下的單晶金剛 石車(chē)刀刃口。2010年又對單晶金剛石不同晶面的軟硬方向進(jìn)行了理論和實(shí)驗研究。

　　(2)熱化學(xué)拋光

　　熱力學(xué)理論認為,較軟的石墨是碳單質(zhì)的穩定結構,而堅硬的金剛石卻處在亞穩態(tài) 的,只要獲得足夠的能量,金剛石就很容易轉化成石墨。較為典型的做法是將金剛石與 高溫的鐵盤(pán)相接觸,金剛是表面的晶格在高溫下轉變?yōu)槭Y構,并擴散到鐵盤(pán)中,然 后流動(dòng)的氧氣將擴散到鑄鐵盤(pán)里面的碳原子還原,生成甲焼氣體,這樣可以實(shí)現持續的 拋光金剛石。該方法拋光的金剛石表面的表面粗糖度為幾個(gè)納米,表面損傷層也較淺。后來(lái)發(fā)展到應用與鐵材料結構相似的鎳、鈷、猛等金屬和稀有金屬飾、鑭等。近年有研 究人員用高溫的銅盤(pán)來(lái)加工金剛石,2009年Fumshiroa等人用加熱的銅盤(pán)拋光單晶金剛 石,利用銅在空氣中氧化產(chǎn)生的氧化銅與金剛石反應,6小時(shí)去除高度為7mn?？傮w 來(lái)看,該類(lèi)方法無(wú)論針對單晶金剛石還是性能不均勻的多晶金剛石都有較好的加工質(zhì)量和較高的加工效率,但是由于加工溫度在70(rC以上甚至高于looor,將產(chǎn)生諸多問(wèn)題, 例如拋光盤(pán)軟化變形、耐磨性下降、加工環(huán)境惡劣、操作不便和設備復雜等問(wèn)題。

　　(3)動(dòng)摩擦拋光

　　動(dòng)摩擦拋光技術(shù)實(shí)際上是對熱化學(xué)拋光技術(shù)高溫問(wèn)題的改進(jìn),用摩擦產(chǎn)生瞬時(shí)局部 高溫來(lái)代替整體加熱產(chǎn)生高溫。早該方法由日本的學(xué)者Suzuki等在1996年提出動(dòng)摩 擦拋光技術(shù)(Dynamic friction polishing,DFP) [28],應用的拋光盤(pán)材料也大多是熱化學(xué) 拋光中所用的材料。2003年Suzuki等對動(dòng)摩擦拋光金剛石的機理進(jìn)行了研究,認為去 除是由于摩擦熱引起的碳原子擴散和隨后的氧化2009年大連理工大學(xué)苑澤偉博士 等人將金屬合金化技術(shù)應用到新型拋光盤(pán)的制作中,用金屬間化合物對金剛石進(jìn)行拋 光,改善了拋光盤(pán)的性能,獲得較好的加工效果。2009年,該方法的提出者Suzuki 等人發(fā)表了一篇在低壓力下由加熱方法提高去除效率的論文所謂的低壓力為2-5 MPa,速度為2500 nrmin-、由此看來(lái)動(dòng)摩擦壓力過(guò)大和轉速過(guò)高問(wèn)題是存在的。